同轴送粉TIG熔覆过程数值模拟与试验研究

摘    要：为了研究同轴送粉TIG熔覆过程电弧的温度场、流场、电势分布及粉体颗粒运动轨迹，根据磁流体动力学理论建立了二维仿真模型，利用COMSOL软件对TIG熔覆电弧和粉体颗粒运动轨迹进行数值模拟。模拟结果表明：电弧形态呈钟罩形、气体流动稳定、粉体颗粒利用率高；为了验证仿真结果的准确性，开展了同轴送粉TIG熔覆试验。试验结果表明：焊缝平直无明显缺陷，实际电弧形态与模拟结果高度一致。通过金相显微镜对熔覆层进行观察，可以清晰地看出熔覆层内部组织均匀、致密。

关键词：TIG熔覆;同轴送粉;COMSOL软件;数值模拟;显微组织;

在现代工业生产中，金属件表面经常会出现磨蚀、磨损等现象，严重影响机械设备的性能和寿命[1]。因此，提高金属件表面的耐磨性成为迫切需要解决的问题。焊接熔覆通过在受损部位表面熔覆一层硬度高、耐磨性好的涂层，重新形成新的表面，从而修复和改善机械设备的表面性能[2,3,4]。

目前常见的焊接熔覆技术主要有：激光熔覆技术、等离子熔覆技术和TIG熔覆技术等。其中，激光熔覆技术所需的设备费用高昂且熔覆层的宽度小[5,6]；等离子熔覆的熔覆率低，对环境要求高[7,8];TIG熔覆具有熔宽大、熔深浅等优点，特别适用于工件表面的焊接修复[9,10,11]。传统的TIG熔覆通常采用送丝和送粉方式[11,12]，当进行各种金属材料焊接时，如不锈钢、镍基合金、铝合金等，送丝方式无法满足焊接要求；送粉方式包括传统的预置粉末法、旁轴送粉法和同轴送粉法，TIG熔覆常用预置粉末法进行试验，旁轴送粉法在应用中存在气孔、结构不均匀、粉末利用率低等缺点，所以在TIG熔覆中未得到应用，而同轴送粉法常用于激光熔覆和等离子熔覆中，在涂层制备和涂层修复中可通过调整焊接材料的成分和合金粉末的比例来获得预期的焊缝，其热影响区小、粉末利用率高，但目前在TIG熔覆中的应用较少[12,13,14]。

本文作者设计了一款同轴送粉TIG焊枪。通过COMSOL软件建立了二维仿真模型，用高斯分布热源模型，对TIG熔覆过程的温度场、流场、电势分布及粉体颗粒运动轨迹进行数值模拟，接着进行熔覆试验，结果表明，焊缝平直无凹坑，实际拍摄的电弧形态和模拟的电弧形态高度一致，呈典型的钟罩状，通过金相显微镜对熔覆层进行观察，发现基体与熔覆层连接处质量较好，无明显缺陷。

1 同轴送粉TIG焊枪设计

用于同轴送粉TIG熔覆的焊枪结构图如图1所示。该焊枪由保护气快速插头、压帽、导电块、送粉快速插头、钨极夹、焊枪主体、导电嘴、钨极、送粉铜管、隔热块、O型圈等组成。焊枪的保护气通道和送粉通道相互独立，减少焊接过程中焊枪内部两种物质的互相干扰。为了使整个焊接过程具有良好的保护气氛围，保护气从径向方向经过保护气嘴进入焊枪主体，保护气流量须在焊接前调节好，确保不影响焊接电弧的稳定性和熔覆层质量。为了确保粉体颗粒输送的稳定性和流畅性，将两个送粉快速插头与焊枪的送粉铜管直接相连，并采用同轴送粉的方式输送粉体颗粒。送粉内环中设置多个对称小孔，使氩气均匀喷出，以保证焊接电弧四周受到均匀的压力，从而提高焊接电弧的稳定性。

图1 焊枪结构示意图 

2 模型建立与模拟结果分析

2.1 几何模型和假设条件

同轴送粉TIG熔覆的焊枪几何模型如图2所示。包括钨极、氩气和316L不锈钢母材。其中VBXYW为直径2.4 mm的钨极，KMNJ为60 mm×10 mm的316L不锈钢母材，其余计算域为氩气环境，BC、VU为保护气入口，流速为1 m/s,GF、RQ为送粉气入口，流速为7.5m/s，钨极尖端距316L不锈钢母材表面8 mm，模拟焊接电流分别为100、130、160 A。为了提高计算效率，对焊接电弧做以下假设：1）电弧区域处于局部热平衡状态；2）电弧为不可压缩流体，且流动状态为层流；3）电弧等离子体为光学薄；4）标准大气压下氩气的物性参数仅与温度有关，不考虑重力作用对电弧的影响。

图2 焊枪几何模型 

2.2 控制方程

焊接电弧的数值模拟满足以下控制方程：

质量守恒方程：

式中：ρ为氩气密度；u、v为电弧的轴向和径向速度。

径向动量守恒方程：

轴向动量守恒方程：

式中：P为电弧所受压力；μ为氩气的动力黏性系数；ρ为电弧重力；Fr、Fz分别为体积力在r、z方向上的分量。

能量守恒方程：

式中：CP为定压比热容；T为温度；k为热导率；Q为能量方程的源项。

电磁场方程：

电流连续方程：

欧姆定律：

安培环流定律：

式中：σ为电导率；φ为电势；B为磁场强度；μ0为真空磁导率。

热源模型：

选用高斯分布热源模型：

式中：qa为距电弧加热光斑中心r处的热源密度；qm为最大热流值；r为距离电弧斑点中心距离；R为电弧加热半径。

2.3 氩气的热物性参数

TIG熔覆使用氩气作为保护气体，数值模拟过程中氩气的热物性参数会随温度发生较大变化，其相关物性参数随温度变化曲线如图3所示。

图3 氩气热物理参数随温度变化曲线

2.4 边界条件和源项

模型加载的边界条件如表1所示。

能量方程源项：

式中：σ为电导率；kB为Boltzmann常数；e为电子电量；SR为辐射损失。

表1 边界条件

2.5模拟结果与分析

2.5.1 传热过程模拟

同轴送粉TIG熔覆过程电弧的温度场分布如图4所示。图4a为130 A电流下电弧的温度分布云图。可以看出，电弧形态呈钟罩状，其温度场近似于传统TIG焊电弧的温度场，钨极尖端和工件之间存在较大的温度梯度。图4b为电弧中心轴向温度分布曲线。在距钨极轴向距离1.13 mm处温度达到最高，这是因为此处的电流密度较大，电流流过导致等离子体中的电阻增加，从而产生较大的焦耳热，且随电流的增大，电弧的最高温度也随之升高，电弧温度从钨极尖端的最高值逐渐向工件表面递减，工件表面的温度约为3 000K，而316 L不锈钢的熔点约为1 400 K，所以可以熔化母材形成熔池。

图4 电弧的温度场分布 

2.5.2 气流过程模拟

同轴送粉TIG熔覆过程电弧的流场数值模拟结果如图5所示。图5a为130 A电流下电弧等离子体速度分布云图。图5b为电弧中心轴向等离子体速度分布曲线。等离子气以较小的速度从焊枪的送粉通道和送气通道流入，在钨极下端因受到电弧的影响开始电离，随着电离的发生，等离子体速度迅速增大，靠近工件表面时等离子体的速度逐渐收敛，至工件表面时降至0，由图5a可以看出，气流主要集中在钨极下方，从而提高了焊接质量和稳定性。图5c为电弧中心轴向压力分布曲线。可见，电弧中心轴向压力先升后降，且峰值随电流的增加而增大。

图5 电弧的流场数值模拟结果 

2.5.3 电势分布

同轴送粉TIG熔覆过程电弧的电势分布如图6所示。本研究采用直流正接方式，即钨极为阴极，工件为阳极，工件接地，电势为0。图6a为130 A电流下电弧电势分布云图。可以看出，钨极尖端电势变化较大，靠近工件变化较小，当电流分别为100、130、160 A时对应的最高电势差分别为12.75、13.27、13.80 V，电压变化较小，对熔覆过程影响小。

图6 电弧的电势分布 

2.5.4 粉体颗粒运动轨迹模拟

图7为不同时间下同轴送粉TIG熔覆的粉体颗粒运动轨迹数值模拟结果。可知，大部分粉体颗粒成功进入熔池区域，通过COMSOL软件对粉体颗粒的分布进行统计，可知，共释放了270颗粉体颗粒，其中192颗粉体颗粒到达熔池参与熔覆过程，只有少部分粉体颗粒飞出熔池区或残留在工件表面，粉体颗粒的利用率为71%，提高了熔覆质量和性能。

图7 粉体颗粒运动轨迹数值模拟结果 

3 试验验证

3.1 试验条件

同轴送粉TIG熔覆试验用时代逆变WSM-400型焊机，北京隆源生产的AFS系列送粉器，送粉气和保护气均为质量分数为99.99%的高纯氩气，母材为316L不锈钢，尺寸为250 mm×150 mm×10 mm，可在宽度方向进行多次熔覆，熔覆材料由比例为98∶2的316L粉末和SiC粉末均匀混合而成，其粒径分别约为20、8μm。为保证送粉效果，钨极伸出长度为7 mm，钨极尖端距母材316 L不锈钢板表面距离为8 mm，对应的电弧电压约为15 V，使用CCD相机对电弧进行拍摄。

3.2 试验结果与分析

3.2.1 宏观形貌

为了保证焊接质量，提前打开保护气，待气体稳定输出时启动焊接按钮，电弧稳定燃烧后再送粉，调节气流使粉体颗粒输送流畅稳定，在焊接时，焊枪按照指定的焊接方向运动。TIG熔覆的工艺参数有焊接电流、送粉量和SiC浓度。其中送粉量是单位长度熔覆层接受的粉体颗粒质量，在数值上等于单位时间送粉量与焊接速度的比值。SiC浓度是复合粉体颗粒中SiC的质量分数。用焊接电流分别为100、130、160 A，送粉量为6 g/mm,SiC浓度为1.5%的工艺参数进行熔覆试验，获得的单层单道熔覆层如图8所示。可见，焊缝平直，熄弧位置无凹坑且焊缝熔宽一致。

图9为相机拍摄的130 A电流下的实际电弧图像。呈典型的钟罩形状，表明电弧在焊接过程中稳定性好，能够提供稳定的热源熔化和熔覆材料。图10为对应的电弧温度场数值模拟结果。可见模拟结果与试验结果一致。

图8 同轴送粉TIG熔覆表面单层单道熔覆层 

图9 实际电弧图像 

图1 0 对应的电弧温度场数值模拟结果 

3.2.2 显微组织

焊接电流为130 A、送粉量为6 g/mm、SiC浓度为1.5%的工艺参数下熔覆层横截面不同区域显微组织如图11所示。由图11a可以看出，熔覆层内部组织均匀，无明显缺陷，熔覆层与基体连接处结合良好，可以清晰地看到熔凝线。由图11b可知，熔覆层与基体热影响区结合处存在一条以界面为核心的平面晶，组织以粗大且分布不均的树枝晶和柱状晶为主，晶体沿散热方向由熔池底部向熔覆层顶部生长。由图11c可知，树枝晶和柱状晶的数量和尺寸明显减少，熔覆层产生更多细小的等轴晶粒，呈典型的迅速熔凝组织特征。

图1 1 熔覆层不同区域显微组织 

4 结论

1）采用同轴送粉技术理念开发了一种新型的TIG焊枪，用于表面熔覆。

2）建立了焊枪二维数学模型，通过COMSOL软件对熔覆过程的的温度场、流场、电势分布和粉体颗粒运动轨迹进行了数值模拟，结果表明，焊接电弧温度分布均匀，呈典型的钟罩状，气流稳定，粉体颗粒利用率高。

3）将焊枪在316 L不锈钢表面进行熔覆试验，获得的堆焊焊缝成型美观，在焊接电流为130 A、送粉量为6 g/mm、SiC浓度为1.5%的工艺参数下拍摄的实际电弧图像与模拟结果一致，获得的熔覆层内部组织均匀致密无明显缺陷。

文章来源兵器材料科学与工程. 2023,46(05)